一、软启动电路的基本模型1、软启动电路的背景1在实际使用的电路中往往会在电源输入端并联很多电容原因如下①电源中通常混杂着各种噪声为了有效滤除它们常采用大小电容并联的组合策略。大电容如电解电容容量大对低频噪声阻抗低能有效吸收和滤除电源中的低频纹波小电容如0.1µF瓷片电容的ESL很小对高频噪声呈现低阻抗能高效滤除它们。②数字电路如CPU、FPGA在工作状态切换时会产生瞬间的大电流需求并联在电源输入端的电容能在器件需要大电流的瞬间快速释放储存的电能同时能有效防止局部电流突变引起的电源电压跌落避免系统因供电不足而重启或工作异常。2硬启动引起的上电打火现象①在《电路分析》中已经介绍过电容电压不能突变其电流与电压的计算公式如下②当电源输入阶跃的电压时如果上电瞬间阶跃的电压无任何缓冲直接加在负载两端那么负载的电容会产生瞬间的大电流相当于短路对于理想电路来说这个电流将达到无穷大不过实际电路中各类元件存在寄生参数实际电流的大小与电路的寄生参数有关当然即使寄生参数再大这个瞬间的大电流对电路元件来说也是不安全的。③如果电路是通过类似于单刀双掷开关的元件进行导通/关断的控制在开关闭合的瞬间触点间空隙极小在电源电压的作用下空隙的空气会被电场击穿、电离形成电弧巨大的浪涌电流通过电离通道使得电弧变得明亮这就是上电打火的原因。2、软启动电路的工作原理1在低压系统中往往更加关注上电时的浪涌电流和电压的变化而不只是上电打火的现象本身本小节将以下图所示的缓启动电路为例进行软启动电路工作原理的介绍。2如果选通A/B的连接选择绕过缓启动电路合并机械开关时由于上电瞬间的机械震动输入电压将出现大幅度抖动同时由于电容充电的浪涌电流输入电压除了出现尖峰还出现跌落如果后级电路负载没有任何保护尖峰电压可能会击穿元件跌落电压可能会导致单片机异常复位浪涌电流可能会损坏电源。3为了抑制电压抖动和异常跌落以及抑制电容充电电流可以考虑在电源输入和负载之间串联一个电阻待上电启动过程结束后再移除这个电阻当然这里说的“移除”一定不是直接更改硬件电路而是使用半导体功率器件进行实现阻值的调整。4下图是MOS管的伏安特性曲线对于不同的栅源电压MOS管呈现不同的伏安特性对应曲线的斜率就是漏极和源极之间的电导电阻的倒数因此可以认为MOS管是一个可以通过控制栅源电压改变电阻大小的器件。5软启动电路的基本模型①基于以上对缓启动的需求以及MOS管伏安特性的分析可以设计下图的电路将MOS管的栅极接入RC延时电路在电路上电时电容C被充电使得栅源电压缓慢上升MOS管电阻逐渐减小。②在初始状态下下左图电容完全短路栅源电压极低MOS管的电阻为无穷大随着电容不断被充电栅源电压升高MOS管电阻不断降低直到完全导通下右图电路也完成启动上电。6软启动电路基本模型的优化①因为实际MOS管的栅极源极之间的耐压有限因此需要在电容两端也就是MOS管的栅极和源极之间并联一个电阻与原本的电阻形成分压网络保证栅源电压低于耐压值。②在上一步的基础上可以再在MOS管的栅极和源极之间并联一个双向稳压二极管进一步削弱电压尖峰。7缓启动电路的延时时间由于电路中只存在一个电容所以启动延时时间可采用《电路分析》中的三要素法进行分析对于初始状态电容相当于短路栅源电压的计算如下对于稳态电容相当于断路栅源电压的计算如下缓启动电路的时间常数为联立上式可解得栅源电压的表达式为原理图中的MOS管其开启电压为-1.5V代入上式可解得缓启动电路的延时时间上式是理论的延时时间由于MOS管存在寄生电容实际的延时时间将稍大于理论的延时时间8从延时时间的表达式不难看出电容容值越大延时时间越长通过调整电容容值可以设定延时时间避开电压尖峰和电压跌落从而达到缓启动的效果。以下是不同参数组合的缓启动效果①C1100nFR21K②C11uFR25K③C110uFR210K9缓启动电路的本质是利用了MOS管的开启过程通过延长MOS管的开启时间抵消上电时的浪涌冲击这个过程中MOS管会产生很大的损耗功率如果过度延长缓启动时间MOS管可能会过热损坏。二、几种软启动电路介绍1、NTC热敏电阻软启动电路1前面提到过为了抑制电容充电电流可以考虑在电源输入和负载之间串联一个电阻待上电启动过程结束后再移除这个电阻普通的电阻虽然能够降低启动电流但启动完成后持续工作产生的稳态损耗会很大。2基于可变电阻的考虑可以选择NTC电阻它是负温度系数的热敏电阻温度越高阻值越小。3电路工作状态分析①在上电的时候初始状态下电容C25相当于短路浪涌电流被NTC电阻R20限制此时R20处于冷态阻值较大。②待电路进入稳态电容C25充电完成NTC电阻因为自身持续发热焦耳定律温度上升阻值大幅降低压降减小持续工作产生的损耗也会小很多。4当然NTC电阻带来的损耗没办法做到极值压缩如果无法满足稳态损耗的指标那么也就不能直接采用NTC热敏电阻软启动电路。2、LM393延时继电器NTC热敏电阻复合软启动电路1在实际项目中往往希望软起电阻的稳态损耗为零对此可以引入继电器在电源启动完成以后控制继电器将NTC电阻短路。这里采用的是LM393延时继电器TL431的阴极电平作为参考电压输入LM393的2号引脚RC延时电路连接到LM393的3号引脚。2电路工作状态分析①在上电的时候TL431工作LM393的2号引脚电压是2.495V、3号引脚电压是0VLM393的1号引脚将输出低电平Q2截止继电器断开电源的输入经过NTC电阻直达输出同时经过电阻R34给电容C29充电。②当电容C29的电压高于2.495V时LM393的3号引脚电压也高于2.495VLM393的1号引脚将输出高电平Q2导通继电器吸合因为继电器的触点电阻远低于NTC的阻值所以电源的输入主要经过继电器直达输出。3在没有NTC电阻的时候可以使用其它功率电阻替代因为这个软启动电路的精髓在于继电器而不是NTC电阻。不过在设计这个电路时需要考虑更多的参数计算还需要辅助电源供电在继电器状态切换时仍然会产生一个瞬时电流在部分工业场景应用中仍然会存在一些问题。3、LT4363MOS管软启动电路1LT4363是有源高压智能型浪涌抑制控制器通过搭配外置的N沟道MOS管工作集成过压钳位、限流保护、故障计时、欠压和过压监测等功能专门用于解决上电的浪涌电流、瞬时高压尖峰、负载突降等问题弥补了传统NTC在高压、小电流场景的缺陷。2在上电的时候芯片通过4号引脚缓慢地抬升MOS管栅极电压MOS管的电阻缓慢下降导通程度缓慢增加输出电压和电流平缓爬升能够有效抑制后端电容的充电浪涌电流。启动斜率可通过设置电容C22的参数进行调整。